To Move or to Convene : Regulatory Circuits of Mat Fimbriae in Escherichia coli

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-8027-2
Title: To Move or to Convene : Regulatory Circuits of Mat Fimbriae in Escherichia coli
Author: Lehti, Timo
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, Division of General Microbiology
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2012-06-20
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-8027-2
http://hdl.handle.net/10138/33720
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Escherichia coli is an extensively used model organism in molecular biology as well as an important human commensal and a versatile pathogen causing a repertoire of intestinal and extraintestinal infections. The pathogenic potential of E. coli is strongly influenced by laterally transferred genes, and pathogenic E. coli isolates are classified into distinct pathovars on the basis of the disease symptoms and the infection route. Molecular genetics and genomic studies have identified four main phylogenetic groups in the E. coli species; the extraintestinal isolates of E. coli cluster mainly into the B2 phylogroup, whereas diarrheagenic E. coli isolates are found in various phylogenetic groups. Distribution of virulence and fitness genes in E. coli phylogroups and pathovars has been extensively studied, but our knowledge on possible differences in gene regulation within specific groups of E. coli remains limited. It is however becoming apparent that evolutionary adaptation to pathogenic lifestyles involves, in addition to gain and loss of genes, changes in the expression of fitness genes found both in pathogenic and commensal E. coli. In this work, I investigated phylogenetic group -associated differences in promoter architecture and regulation of a conserved adhesin of E. coli, the Mat fimbria, and analyzed biological functions of this common organelle. The Mat fimbria is encoded by the mat (or ecp) gene cluster, which is prevalent and conserved in the published genomes of E. coli. The biological functions of Mat and the regulatory mechanisms controlling the mat genes differ in E. coli isolates from different sources, and a basis for the regulatory differences was here described. This study identified the Mat fimbria as a novel determinant for temperature-dependent biofilm formation in E. coli. The mat operon was expressed in vitro in Luria-Bertani broth exclusively by the isolates of the B2 phylogroup, and the mat expression was induced by low growth temperature, by acidic pH, and by elevated levels of acetate. Extensive genetic studies and analysis of a well-described strain collection revealed that the differential mat expression is due to phylogroup-associated variation in the structure of the mat upstream regulatory DNA. Three regulatory genes, matA, hns, and rcsB, that participate in the transcriptional and post-transcriptional regulation of the mat operon were identified. Notably, these regulators form a network that reciprocally coordinates two opposite functions, Mat fimbriae-mediated adherence and flagella-driven motility. The mat operon is an early acquisition in the evolution of E. coli and has been maintained during evolution of the E. coli groups. This thesis work presents a model for intra-species divergent evolution of regulatory DNA that supports phenotypic diversity within a bacterial species. The findings give an example of pathoadaptive variation in a regulatory DNA that controls expression of a common surface organelle of E. coli.Escherichia coli on yleinen ihmisen suoliston bakteerilaji, joka saadaan jo syntymässä äidiltä tai myöhemmin ympäristöstä. Bakteeri on monimuotoinen ja pääasiallisesti harmiton suoliston ja synnytyskanavan mikrobiston jäsen, mutta siitä esiintyy myös tauteja, mm. suolistotulehduksia, virtsatieinfektioita sekä aivokalvontulehdusta, aiheuttavia kantoja. E. coli on perintöainekseltaan erittäin muuntelukykyinen. Taudin oireiden, infektioreitin ja bakteerin virulenssitekijöiden perusteella tauteja aiheuttavat E. coli -kannat jaotellaan erillisiin ryhmiin, ns. patovaareihin. Lisäksi geneettisten analyysien perusteella E. coli -populaatiot jaetaan yleisesti neljään fylogeneettiseen pääryhmään (fyloryhmät A, B1, B2 ja D). Väitöskirjassani tutkin E. coli -bakteerin solupinnan yleisen proteiinirakenteen toimintaa ja sitä koodaavien geenien säätelymekanismeja. Tutkimukseni osoitti tämän Mat fimbriaksi kutsutun filamenttimaisen rakenteen mahdollistavan bakteerin kasvun muovipinnalla biofilmissä eli pintaan kiinnittyneessä, liman ympäröimässä, järjestäytyneessä mikrobiyhteisössä. Mat fimbrian tuoton havaittiin rajoittuvan lihaliemi-tyyppisessä kasvuliemessä pääasiassa tautia aiheuttaviin B2-fyloryhmän kantoihin ja lisääntyvän matalassa lämpötilassa, matalassa pH:ssa ja korkeassa asetaattipitoisuudessa. Näistä olosuhteista ensimmäinen eli noin 20 asteen lämpötila on mahdollinen ihmiskehon ulkopuolisessa ympäristössä, kun taas kaksi viimeisintä ovat tyypillisiä ihmisen suolistossa ja synnytyskanavassa. Mat fimbrian tuottokyvyssä on havaittu eroja sekä patovaariryhmien että harmittomien kantojen välillä. Tutkimukseni osoittaa tämän eron olevan seurausta mat-rakennegeenejä edeltävän säätelyalueen pienistä, fyloryhmiin korreloituvista DNA-sekvenssieroista. Lisäksi tunnistin kolmen säätelyproteiinin osallistuvan tuoton säätelyyn. Nämä proteiinit muodostavat säätelyjärjestelmän, joka koordinoi bakteerisolun kahta vastakkaista toimintaa, Mat fimbria -välitteistä sitoutumista pintaan ja flagella-välitteistä liikkumista nesteessä, mikä tehostaa E. coli -kasvuston muodostumista esimerkiksi kudospinnoille. Saamani tulokset antavat uutta tietoa saman bakteerilajin tautia aiheuttavien ja toisaalta haitattomien kantojen geneettisistä eroista. Bakteerilajin sopeutuminen ihmisen kannalta haitalliseksi voi uusien geenien saamisen ja/tai olemassa olevien geenien menettämisen lisäksi olla seurausta kannoille yhteisten geenien säätelymuutoksista. Mat fimbria on esimerkki bakteerilajin konservoituneesta ja yleisestä rakenteesta, jonka geneettisillä säätelyeroilla laji voi muodostaa solupinnaltaan erilaisia alapopulaatioita, mikä lisää lajin sopeutumista vaihteleviin elinympäristöihin.
Subject: yleinen mikrobiologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
tomoveor.pdf 1.119Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record